Cơ sở truyền thông sợi quang

SỢI QUANG Cấu trúc và phân loại sợi quang  Mô tả quang hình quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang  Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang  Các tham số cơ bản của sợi  Suy hao  T

BÀI GIẢNG MÔN

CƠ SỞ TRUYỀN THÔNG

SỢI QUANG

Năm biên soạn: 2010

SỢI QUANG

 Cấu trúc và phân loại sợi quang

 Mô tả quang hình quá trình truyền ánh sáng trong sợi

quang

 Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

 Các tham số cơ bản của sợi

 Suy hao

 Tán sắc

 Hiệu ứng phi tuyến

 Một số loại sợi quang mới

 Cáp sợi quang

CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI SỢI (1)

CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI SỢI (2)

 Cấu trúc sợi quang:

Cấu trúc hình trụ, đ ợc chế tạo từ vật liệu trong suốt

Lõi sợi có chiết suất n1

Vỏ sợi có chiết suất n2 < n1

Lớp phủ đệm có tác dụng bảo vệ sợi

CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI SỢI (3)

 Phân loại sợi quang:

• Dựa theo vật liệu chế tạo: thuỷ tinh hoặc chất dẻo hoặc

thuỷ tinh đa thành phần

• Dựa theo mặt cắt chiết suất: chiết suất bậc (SI) hoặc

chiết suất biến đổi (GI)

• Dựa theo số l ợng mode truyền: đa mode (MM) hoặc

đơn mode (SM)

• Dựa theo các chức năng đặc biệt

CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI SỢI (4)

 C¸c lo¹i sîi quang sö dông trong VT:

MÔ TẢ QUANG HÌNH (1)

 TruyÒn ¸nh s¸ng trong sîi ®a mode bËc (MM-SI)

Sîi truyÒn nhiÒu mode (coi mçi mode lµ mét tia s¸ng øng víi mét gãc

lan truyÒn cho phÐp)

Mễ TẢ QUANG HèNH (2)

 Truyền ánh sáng trong sợi đa mode bậc (MM-SI)

Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng zigzag, gồm 2 loại tia: tia kinh tuyến (a) và tia nghiêng hoặc tia xoắn (b)

Mễ TẢ QUANG HèNH (3)

 Truyền ánh sáng trong sợi đa mode bậc (MM-SI)

•Số l ợng mode truyền M ≈ V2/2 trong đó V = 2 π a.NA/ λ

•Tán sắc mode lớn ⇒

•Khẩu độ số NA:

; )

1 (

a r

; ) / (

1 )

(

2 1

1

n n

a r

n r

n

α

•Mặt cắt chiết suất:

Trong đó: a - bán kính lõi, α là hệ số mặt cắt xác định dạng biến đổi

chiết suất trong lõi, α = 2 t ơng ứng với mặt cắt parabol

•Sợi truyền nhiều mode hoặc và cũng có 2 loại tia: tia kinh tuyến và

tia nghiêng hoặc tia xoắn

•Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng đ ờng cong hình sin do bị đổi h

ớng liên tục khi truyền trong sợi.

Với α = 2, quỹ đạo các tia có thể mô tả r = rocos(pz)+(ro’/p)sin(pz) khi r<a

•Khẩu độ số:NA ( r ) = n ( r ) − n 2 = NAmax 1 − ( r / a ) α

2

Mễ TẢ QUANG HèNH (5)

•Số l ợng mode truyền M ≈ V2/4 trong đó V = 2 π a.NA/ λ

•Tán sắc mode nhỏ hơn nhiều so với sợi SI ⇒ Tăng dung l ợng

mang thông tin của sợi

TRUYỀN SểNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI (1)

•Mặt cắt chiết suất th ờng có dạng SI

•Kích th ớc sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ

•Sợi chỉ truyền một mode

•Không có tán sắc mode

•Để hiểu đặc tính truyền ánh sáng trong sợi đơn

mode phải sử dụng lý thuyết truyền sóng.

TRUYỀN SểNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI (2)

H ph ơng trình Maxwell: ệ

Sợi quang: vật liệu cách điện, đẳng h ớng và tuyến tính

Quá trình truyền sóng ánh sáng trong sọi quang tuân theo các ph ơng trình Maxwell:

Mật độ thông l ợng quan hệ với các vectơ tr ờng

P và M là các phân cực điện và từ t ơng ứng, ở sợi quang M = 0

(2.1) (2.2) (2.3) (2.4)

(2.5) (2.6)

TRUYỀN SểNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI (3)

Ph ơng trình sóng đặc tr ng cho sợi quang:

Từ các ph ơng trình Maxwell, lấy curl ptr (2.1) và sử dụng ptr (2.2), (2.5), (2.6) thu đ ợc ph ơng trình sóng:

TRUYỀN SểNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI (4)

Xét sợi SI và chuyển sang toạ độ trụ:

Trong sợi quang có các mode sau:

- Mode dò: Giam hãm một phần trong lõi và suy hao do bức xạ công suất

khỏi lõi khi lan truyền bởi hiệu ứng xuyên ngầm của sợi (fiber-tunnel

effect) hoặc bất kì mode có

- Mode bức xạ: không bị giam hãm ở lõi, nằm ngoài góc nhận cực đại của

sợi và bị khúc xạ khỏi lõi

- Mode dẫn: các mode có hệ số truyền dẫn

TRUYỀN SểNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI (5)

Chỉ truyền 1 mode cơ bản duy nhất, mode LP01 hoặc 2 HE11

Điều kiện đơn mode: V < 2,405

TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI (6)

DiÖn tÝch hiÖu dông (spot size):

HÖ sè giam h·m:

(2.12) (2.13)

TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG (1)

k dt

1

hay

dk

d c

(2.16)

TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG (2)

Nguyªn nh©n:

- Sîi truyÒn nhiÒu mode

- Mçi mode truyÒn cã vËn tèc nhãm kh¸c nhau (mçi mode cã h»ng sè lan truyÒn kh¸c nhau)

⇒ LÖch thêi gian truyÒn g©y ra t¸n s¾c mode

§èi víi sîi MM-SI:

§é lÖch thêi gian truyÒn gi÷a tia ng¾n nhÊt (mode bËc thÊp nhÊt) vµ tia dµi nhÊt (mode bËc cao nhÊt)

(2.17)

TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG (3)

Đối với sợi MM-GI

- Các tia có quãng đ ờng ngắn lan truyền với vận tốc chậm và ng ợc lại

- Sợi GI có một mặt cắt chiết suất tối u ở đó độ trễ thời gian là nhỏ nhất

- Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất)

c ) (

L )

( n T

opt

2

2

2 1

α = αopt

(2.18)

TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG (4)

21

λ

−λ

=λ

dn d

n

d d

dn c

TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG (5)

Nguyên nhân:

- ánh sáng truyền trong sợi không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định

- Do hằng số lan truyền lan là hàm của a/λ nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau ⇒ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng

∆

−

≈

τ λ

−

= λ

τ

dV

) Vb ( d V c

n dV

d

V d

TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG (6)

Trong sợi đơn mode, hệ số tán sắc sắc thể:

D = DM + DW Sợi đơn mode thông th ờng:

D = 0 tại λ ≈ 1310 nm

D = 15-20 ps/(nm.km)

tại λ = 1550 nm

(2.23)

TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG (7)

TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG (8)

Nguyên nhân:

- Sợi đơn mode có 2 mode phân cực trực giao

- Do sợi thực tế không hoàn hảo nên mỗi mode có chỉ số mode khác nhau (birefringence)

Độ lệch chỉ số mode

- Xung quang truyền trong sợi một phần năng l ợng mang bởi một trạng thái phân cực (trục nhanh), phần kia mang bởi trạng thái khác (trục chậm) ⇒ tán sắc mode phân cực (PMD)

(2.25)

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (1)

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (2)

• Suy hao do hÊp thô

• Suy hao do t¸n x¹

• Suy hao do uèn cong

• C¸c suy hao kh¸c

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (3)

• Gồm 2 loại chính: Hấp thụ ngoài

Hấp thụ thuần

• Hấp thụ ngoài: do có mặt của các ion tạp chất.

- Ion kim loại chuyển tiếp (Fe, Cu, Co, Ni, Mn và Cr): hấp thụ mạnh trong dải b ớc sóng 0,6 - 1,6 àm (suy hao < 1 dB/km, l ợng tạp chất < 1 ppb)

- ion OH- : hấp thụ chính (có mặt của hơi n ớc trong thuỷ tinh)

Đỉnh hấp thụ chính tại 2,7 àm và các đỉnh hấp thụ khác 1,39;1,24;0,95 àm (suy hao < 1 dB/km, nồng độ ion OH- phải < 10-8 Hiện nay, nồng độ ion

OH- có thể đạt < 1 ppb)

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (4)

• Hấp thụ thuần: do s hấp thụ của thuỷ tinh tạo nên sợi.ự

- Hấp thụ cực tím (λ < 0,4 àm):

Các photon kích thích điện tử trong dải hoá trị và kích thích lên mức năng l ợng cao hơn (Cộng h ởng hay chuyển tiếp điện tử)

- Hấp thụ hồng ngoại (λ > 7 àm):

T ơng tác giữa các liên kết dao động và tr ờng của tín hiệu quang (Cộng h ởng dao động)

Do bản chất vô định hình của thuỷ tinh các cộng h ởng này ở dạng các dải hấp thụ có đuôi dài mở rộng vào vùng nhìn thấy

Hấp thụ thuần trong dải 0.8-1.6 àm < 0,1 dB/km

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (5)

• Nguyên nhân:

• Sự thay đổi vi mô về mật độ trong vật liệu

• Sự thăng giáng thành phần trong vật liệu chế tạo sợi

• Các khuyết tật hoặc cấu trúc không đồng nhất trong quá trình

sản xuất sợi

• Quan trọng: Sự thăng giáng mật độ dẫn đến các thăng giáng

ngẫu nhiên của chiết suất n cỡ < b ớc sóng λ ⇒ Tán xạ RayleighSuy hao từ tán xạ Ray leigh:

Trong đó hằng số C nằm trong phạm vi 0,7-0,9 (dB/km).àm4

αR = 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 àm

(2.29)

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (6)

• Cã 2 kiÓu: Uèn cong vÜ m«

Vi uèn cong

• Uèn cong vÜ m«: b¸n kÝnh uèn cong lín so víi ® êng kÝnh sîi

- Khi b¸n uèn cong R gi¶m dÇn, suy hao t¨ng theo hµm mò ~

∆ α

+ α

−

= ∞

3 2 2

2

3

2 2

2 1

/

eff

kR n R

a N

N

∆+

α

α

=

∞ ( n1ka )2N

(2.30)

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (7)

• Vi uốn cong: bán kính uốn cong nhỏ theo trục

• Do quá trình sản xuất sợi quang và chế tạo cáp sợi quang tạo lực

nén không đều lên bề mặt

• Các méo dạng ngẫu nhiên quanh trục sợi  bề mặt không phẳng

hoàn toàn  ghép cặp năng l ợng mode giữa các mode dẫn và các mode dò hoặc không dẫn

• Để giảm suy hao vi uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng

polyme

Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (8)

SUY HAO TRONG SỢI QUANG (9)

• Suy hao do sù kh«ng hoµn h¶o cÊu tróc sîi quang

• Suy hao do hµn nèi

• Suy hao trong m«i tr êng hidrogen vµ chiÕu x¹ gamma

HIỆU ỨNG PHI TUYẾN (1)

• Tr ờng quang khi lan truyền trong sợi quang:

E(z+dz)=E(z)exp[(- α /2+i β + γ P(z,t)/2)dz]

trong đó: γ - hệ số phi tuyến γ =(2 π / λ )(n2/Aeff) ; n2 - chiết suất phi tuyến

• Hiệu ứng phi tuyến chỉ ảnh h ởng khi công suất quang trong lõi sợi lớn ( γ nhỏ)

• Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang:

-Tán xạ kích thích ( γ là thực ): + Tán xạ Raman kích thích (SRS)

+ Tán xạ Brillouin kích thích (SBS)

- Điều chế pha phi tuyến ( γ là ảo ): + Tự điều chế pha (SPM)

+ Điều chế pha chéo (XPM)+ Trộn bốn sóng (FWM)

(2.31)

MỘT SỐ LOẠI SỢI QUANG MỚI (1)

• Thay đổi DW để thay đổi D ⇒ Các sợi quang mới

- Sợi dịch tán sắc

- Sợi tán sắc phẳng

- Sợi bù tán sắc

CÁP SỢI QUANG (1)

Sản xuất theo 2 giai đoạn:

- Chế tạo phôi: Có kích th ớc dài ~ 1 m, đ ờng kính ~ 2 cm

S d ng các ph ơng pháp sau:ử ụ

+ Ph ơng pháp bay hơi lắng đọng bên trong (IVD)+ Ph ơng pháp bay hơI lắng đọng bên ngoài (OVD)+ Ph ơng pháp bay hơI lắng đọng đầu trục (AVD)

- Kéo sợi

CÁP SỢI QUANG (2)

èng quÊn sîi

Têi Con l¨n

§Ìn UV

§Ìn UV Lµm l¹nh

Lß nung Ph«i thuû tinh

Bäc líp thø nhÊt cña vá polyme Bäc líp thø hai cña vá polyme

Tạo phôi

CÁP SỢI QUANG (4)

Vỏ PE ngoài cùng

Lõi cáp Băng nhôm tráng

Cáp chôn

- Phần lõi:

Phần tử gia c ờng Các ống đệm (khối ống đệm) Các sợi dây đồng để cấp nguồn Các phần tử độn & chất điền đầy

- Phần vỏ:

Vỏ PE thứ nhất bọc ngoài lõi (1mm) Lớp chống ẩm và chống gặm nhắm Vỏ PE ngoài cùng (1,5-2 mm)

CÁP SỢI QUANG (6)

- Chất l ợng mặt cắt đầu sợi:

+ Không phẳng nhẵn, lồi lõm

+ Dính bụi và các chất bẩn

+ Không vuông góc với trục sợi

- Vị trí t ơng đối giữa hai đầu sợi:

+ Lệch trục+ Lệch tâm+ Khe hở

- Các thông số hai sợi khác biệt nhau: đ ờng kính lõi, đ ờng kính lõi, NA, độ méo

CÁP SỢI QUANG (7)

CÁP SỢI QUANG (8)

CÁP SỢI QUANG (9)